DRM 发射端链路图(下)

导语

这是《DRM 发射端链路图》两篇里的下篇。上篇讲了节点 1 到 7------数字处理段,从音频源经过编码、多路复用、OFDM 调制,到激励器输出一段几瓦的RF信号。

本篇讲节点 8 到 12------RF 功率段。从激励器进来的几瓦小信号被放大到几千瓦或几百千瓦,经过滤波、阻抗匹配、馈线,最终从天线辐射成电磁波。这一段的工程对象是大功率 RF,主要设备是固态 PA、谐波滤波器、ATU、馈线、天线塔。硬件形态从一颗芯片变成几座厂房、几根钢梁、几公里铜线。

结尾还顺带讲 DRM 系统在主链路之外的两样扩展能力(SFN 单频网、EWF 紧急预警),以及链路图作为工程工具的几种用法。

▲图:DRM 发射端的 RF 功率段,节点 8 到节点 12。

第三段:从功率放大器到天线

节点 8:功率放大器(PA)

激励器输出的几瓦信号在这一节点被放大到工作功率。中波 DRM 台站常见的 PA 输出从几千瓦到几百千瓦不等。固态 PA 用大量功率模块并联,每个模块几百瓦,整机功率靠模块数量堆出来。

要让一台 PA 能播 DRM(而不是只能播模拟 AM),有四个工程要求必须满足:

(1) 宽带:DRM 信号占满 9 / 10 kHz 信道(短中波)或 96 / 100 kHz 信道(DRM+),整条信道内 PA 的幅频响应要平。高效固态 PA 通常用多级 D 类放大器串联,每级之间用带通滤波器把方波转回正弦波。低 Q 网络让整条 RF 链路保持宽带特性。AF 端用 12-bit A/D 取代传统调制器,以载波频率或半载波频率采样,多个低功耗 ROM 解码 A/D 信号、驱动一组 RF 放大器(开 / 关控制),输出在串联合路器(series combiner)里合并。这种数字方案省掉了传统 PDM 发射机里 PA 和调制器之间的限带低通滤波器,相应也省掉了它带来的群延迟。

(2) 低群延迟:DRM 信号在频段内对群延迟很敏感------上篇提到的振幅+相位双路必须在 PA 处同时到达。整个 RF 链路在工作频段内的群延迟要平、要小,否则会带来 BER 升高和占用带宽不洁。

(3) 高 SNR:DRM 是数字信号,信噪比直接决定 BER(误码率)。固态 PA 的"温度计方式"(thermometer approach)让 RF 模块按固定顺序逐个开启(#1 永远是 #1,#2 永远是 #2,依此类推),不需要轮换防止过热。这让低调制百分比下的噪声性能也能保持。

(4) 宽范围输出匹配:天线在频率漂移、VSWR 变差时不能让 PA 输出失稳。匹配网络的细节在节点 10 展开。

DRM 信号的高 PAPR 意味着 PA 必须保留足够的线性工作余量(功率回退,back-off),峰值不能进入压缩区。典型工程做法是把 PA 的平均工作功率压到额定功率的 35-40%,留 4-5 dB 回退余量。这意味着同一台 PA 在播 DRM 时输出的平均功率,比播模拟 AM 时低一半左右。

现代固态 DRM 发射机会用数字预失真(Digital Pre-Distortion, DPD)技术,在激励器侧预先扭曲信号,让经过非线性 PA 之后的输出回到线性。DPD 让 PA 可以在更接近压缩点的状态下工作,把回退余量压到 2-3 dB,把平均输出功率拉回到额定功率的 50-60%。这是固态 DRM 发射机相对真空管发射机的一个工程优势。

节点 9:谐波滤波

PA 输出会有谐波(基频整数倍的多余频率分量)。中短波频段对谐波抑制要求很严,国际无线电法规一般要求 -60 dBc 以上的二次谐波抑制。谐波滤波器通常用 LC 网络做带通或低通滤波,把工作频段以外的能量都过滤掉。

节点 10:天线匹配单元(ATU)

天线对发射机来说是一个负载,理想负载阻抗是 50 欧姆。但实际中波天线的阻抗会随频率、天气、附近金属物分布而变化。ATU 在 PA 和天线之间做实时阻抗匹配,把变化的天线阻抗变换回 50 欧姆给 PA 看。

ATU 内部最常见的拓扑是 Pi 网络(π 型网络),电路上看是"并联电容 + 串联电感 + 并联电容"三段。Pi 网络的优势是阻抗变换范围大、对 VSWR 变化鲁棒,适合 DRM 这种对带内幅频和群延迟敏感的信号。高功率 DRM 台站的 ATU 一般都用宽范围设计的 Pi 网络。

ATU 内部的电感和电容大多数可调,部分高端 ATU 配电机驱动支持远程或自动调谐。中波塔的 ATU 经常装在天线基座旁的独立小屋里,叫调谐房(Tuning House)。

节点 11:馈线

馈线把 ATU 的匹配输出送到天线辐射点。高功率中波馈线通常是同轴电缆或者刚性铜管馈线,损耗按工作频率算大约每 100 米 0.5-1 dB。短馈线(30-50 米)损耗可以忽略,长馈线(100 米以上)需要在功率预算里扣除。

节点 12:天线

中波天线大多是垂直单极塔(中波塔),高度按工作波长决定。1/4 波长是最常见的设计,对 700 kHz 来说一个 1/4 波长塔大约 107 米高。1/2 波长塔在某些场景下用,辐射效率更高但塔更高。

天线把馈线里的射频电流变成电磁波辐射出去。辐射方向由天线几何决定:垂直单极塔在水平面是全向,在垂直面有特定方向图。

中波天线在工作频率上通常被调谐成纯电阻负载,但偏离中心频率之后,向发射机呈现的负载阻抗会变成复数,虚部随偏离量增大。对 DRM 来说,关键要求是这个阻抗特性要对称------中心频率两侧虚部符号相反、变化率接近相等。中心频率以下虚部为 −j,中心频率以上就要为 +j,反之亦然。换成 VSWR 来表达:业内研究给出的经验值是,对 DRM 信号,中心频率 ±10 kHz 处的 VSWR 不应大于 1.1:1,±5 kHz 处不应大于 1.05:1;若要稳定承载 18 / 20 kHz 宽带 DRM 信号,这两个数字还要更严。这是中波天线给 DRM 改造提出的明确指标。

短波天线类型更多:水平偶极、对数周期、菱形、curtain array 等等。短波台的天线选择决定了主辐射方向和远距离覆盖区。对短波天线来说,因为工作波长短、天线自身物理尺寸大,带宽通常不是问题,DRM 改造时不需要专门为天线带宽做额外调整。

链路之外:DRM 系统的两样扩展能力

12 个节点串起来已经是一条完整的 DRM 链路。在这条主链路之外,DRM 系统标准还允许若干扩展能力,是工程实施里值得知道的。这一节挑两样最常被用上的展开讲。

SFN(单频网)同步 :多个发射台站可以在同一频率上同步发射同一节目,覆盖大区域而不互相干扰。SFN 同步靠 GPS 授时实现------每台发射机的激励器内置 GPS 接收,把 OFDM 帧的发射时刻锁定到 GPS 时间。这对车载移动接收特别重要,因为车辆在不同发射台覆盖边界穿越时,能无缝接收同一节目。笔者曾在《CDR 单频网组起来之后,收音机怎么跨省跟车》讨论过单频网的工程含义。

多语言文本与 EWF 紧急预警:DRM 数据通道(上篇节点 3 注入)可以同时承载多语言文字、图像、紧急预警包。EWF(Emergency Warning Functionality)触发时接收机自动切到预警频道并显示多语言文字------这件事印尼 RRI 已经在 FM 网络上做了实战部署。

这两项能力都不改变主链路的 12 个节点,是在已有链路上叠加的功能层。

接收端的呼应

发射端的 12 个节点把音频变成了从天线辐射出去的电磁波。接下来电磁波在自由空间和电离层里传播,最终被接收机捕获。

接收端是发射端的镜像,每个节点都有对应的反向操作:

  • 天线 → 收信号

  • 馈线 → 把信号送到接收机

  • 前端 → 滤波 + 低噪声放大

  • 解调器 → OFDM 解调

  • 多路复用解帧 → 还原 MSC / SDC / FAC

  • 音频解码 → USAC 解码

  • 音频输出 → 听众听到的声音

每个反向节点上的工程参数(MER、BER、SNR、星座点散落、解码错误率),都跟发射端某个对应节点的参数相关。笔者写的《读懂一台 DRM 接收机》详细讲过接收端的物理链路参数。三篇文章合起来(接收端一篇 + 发射端两篇),是完整的 DRM 链路。

链路图作为工程工具

把这两张图(上篇的数字段 + 下篇的功率段)留给读者作为工具:

  • 拿到一台 DRM 发射机的产品手册:里面的每一项参数都可以对到链路图的某个节点上。激励器输出功率 = 节点 7;数字预失真支持 = 节点 8;谐波抑制 = 节点 9;ATU 匹配范围 = 节点 10

  • 看一份 DRM 改造方案:方案里的每个改动都在改某个节点。换激励器(节点 7)、换 PA 模块(节点 8)、改 ATU(节点 10)、改天线(节点 12)

  • 调试一台不工作的 DRM 发射机:故障一定在某一个节点上。从输出回溯到输入,逐节点检查信号形式和参数

这两张图本身不会变。变的是每个节点上的硬件实现:激励器从模拟外差变 DDS,PA 从真空管变固态,ATU 从手动变自动,天线从单塔变阵列。但节点的功能不变,节点之间的接口标准(ETSI ES 201 980 / MDI 协议 / 50 欧姆射频接口)也不变。

工程师能读懂这两张图,就能读懂任何一代 DRM 发射机。


参考资料

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